中子屏蔽材料發(fā)展概述1.1中子屏蔽原理核輻射類型有許多，但中子輻射是主要的類型之一[5]。中子是一種不帶電粒子，極具穿透性。依據(jù)中子能量大小的不同，可以分成六大類：一是快中子（≥0.1MeV）；二是中能中子（1~100keV）；三是慢中子（100~1000eV）；四是共振中子（0.5~100eV）；五是熱中子（0.005~0.5eV）；六是冷中子（≤0.005eV）[8]。中子屏蔽除了有快中子慢化之外，還有慢中子吸收。大致可以分為以下幾個步驟[9]：（1）高能中子與慢化材料碰撞，發(fā)生非彈性散射，損失能量，阻礙了中子的激發(fā);（2）采用含氫量較高的材料與其進一步發(fā)生相互作用，使之能量降低，變?yōu)闊嶂凶?（3）熱中子被中子吸收截面較高的材料（即吸收材料）吸收，發(fā)生熱中子俘獲反應(yīng)。具體的入射中子的歷程圖[10]如圖1.1所示。圖1.1入射中子的歷程圖1.2中子屏蔽研究進展中子的質(zhì)量與質(zhì)子很接近，除了石蠟是優(yōu)秀的中子屏蔽材料外，還有硼、聚丙烯和聚乙烯等含氫量較高的物質(zhì)。石墨不但是一種優(yōu)秀的中子慢化劑和中子反射劑，而且能夠在高溫環(huán)境下保持良好的化學(xué)、物理和力學(xué)等性能，這也是為什么它能夠被選中成為反應(yīng)堆材料和屏蔽材料的原因。硼的熱中子吸收截面極大（約為3840靶恩），常被用來做熱中子吸收體。選用碳化硼為控制材料，是因為B4C具有較高的中子吸收能力，國內(nèi)外許多研究者嘗試研發(fā)Ｂ4Ｃ／金屬基復(fù)合材料用作熱中子的吸收材料。相較于鐵而言，不銹鋼可以很好地屏蔽γ射線和中子，這主要是因為不銹鋼比鐵擁有更大非彈性散射截面，可以快速屏蔽中子。但不好的一面是不銹鋼比鐵含有更多的鉻元素、鎳元素和錳元素，在受到中子輻照后需要活化，停反應(yīng)堆后不允許人員靠近[10]。以往所使用的傳中子屏蔽材料除了包含水泥基中子屏蔽材料之外，還有B4C/Al復(fù)合材料以及硼鋼材料。據(jù)callan表示將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１％的硼元素加入混凝土后，可以瞬間提升混凝土的吸收熱中子能力，數(shù)值一度高達百倍[11]。自十九世紀(jì)六十年代起，B4C/Al和硼鋼材料就已經(jīng)作為核電站乏燃料水池和運輸容器，以吸收乏燃料中子[11]。改進型中子屏蔽材料主要是以聚乙烯等有機聚合物為基體，在聚合物中添加中子的吸收材料。目前國內(nèi)核動力研究設(shè)計院成功研制出幾種新型鉛硼聚乙烯材料，詳細信息請參考見表1.1[12]。表1.1鉛硼聚乙烯材料的成分［％（wt，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）］材料代號B201202B203PB202P202P204P206碳化硼粉5.010.020.01.0鉛粉80.030.050.076.5聚乙烯95.090.080.019.070.050.023.5新型中子屏蔽材料主要以硼基或Pb基聚乙烯屏蔽材料為主體。吳鵬[11]等教授經(jīng)過反復(fù)試驗研制出一種新型材料，即柔性硼基苯基硅橡膠中子屏蔽材料。據(jù)悉，這一新型中子屏蔽材料含氫量高，能夠慢化快中子。此外，材料內(nèi)含的硼元素具有較大的中子吸收截面，能夠快速吸收熱中子，屏蔽性極好。SMANN等[13]以氨基聚合物樹脂為基體，添加碳化硼(B4C)粉末制備出具有可反復(fù)折疊的柔性中子屏蔽材料。ZALI等[14]以不同含量B4C為填料與熱塑性的天然橡膠(TPNR)共混制備了中子屏蔽材料。參考文獻[1]徐彬桓.高性能碳化硼陶瓷的制備及性能研究[D].上海工程技術(shù)大學(xué),2017.[2]杜程,閆琪,魏智才.用于燒結(jié)碳化硼陶瓷的低溫快速直流燒結(jié)設(shè)備[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2021,41(04):385-390.[3]李少峰.液相燒結(jié)法制備B4C-SiC復(fù)合陶瓷材料的研究[J].佛山陶瓷,2019,29(05):10-13.[4]孟凡然,王琨,馮榮.無壓燒結(jié)碳化硼材料研究進展[J].中國陶瓷工業(yè),2020,27(06):15-18.[5]李奎江，鄒樹梁,唐德文.核輻射屏蔽材料的研究進展及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2017(8):178-183.[6]何建洪,孫勇,段永華,方東升.射線與中子輻射屏蔽材料的研究進展[J].材料導(dǎo)報,2011,25(S2):347-351.[7]史秀梅,崔紅,曹劍武,李志鵬,張叢,唐緯虹,邢文芳,王志強.Al2O3/Y2O3復(fù)合助劑對常壓燒結(jié)B4C陶瓷性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程,2017,40(01):62-66.[8]楊文鋒,伍曉勇,劉穎.屏蔽復(fù)合材料對快中子減弱效果的計算及實驗驗證[J].核動力工程,2015,36(02):58-61.[9]BUNYAMINAygun,ERDEM?akar,TURGAYKorkut,etal.Newhightemperatureresistantheavyconcretesforfastneutronandgammaradiationshielding[J].RadiochimicaActa,2019,107(4):359-367.[10]何建洪,孫勇,段永華,方東升.射線與中子輻射屏蔽材料的研究進展[J].材料導(dǎo)報,2011,25(S2):347-351.[11]吳鵬,劉淼,鄧建國,付俊杰,鄧志華,宋遠強.中子屏蔽材料的研究進展[J].化工新型材料,2017,45(09):4-5+8.[12]劉顯坤，劉穎，唐杰等．高能射線及其屏蔽材料［Ｊ］．金屬功能材料，2006，13（1）：36-40[13]MANNKS,SIDHUGS.Verificationofsomelow-Zsilicatesasgamma-rayshieldingmaterials[J].AnnalsofNuclearEnergy,2012,40(1）：241-252[14]ZALINM,YAZIDH,AHMADM.Neutronshieldingbehaviorofthermoplasticnaturalrubber/boroncarbidecomposites[J].MaterialsScienceAndEngineering,2018,298(12):18-21.［15］CASFLEDINETJ．Useoffiltermaterialsingatingsystems［J］．FoundryTradeJ，1985(6):15－21．[16]徐勇,鄒國榮.泡沫陶瓷制備工藝研究進展[J].耐火材料,2017,51(05):358-365.[17]楊秋婷,史陽.泡沫陶瓷的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].佛山陶瓷,2009,19(04):40-43.[18]王玲，趙浩峰等金屬基復(fù)合材料及其浸滲制備的理論與實踐北京：冶金工業(yè)出版社，2005:1-3[19]程科愷,常啟兵,汪永清,等.以納米氧化鋁為助燒結(jié)劑制備α-Al2O3陶瓷膜支撐體[J].中國陶瓷,2013,49(10):9-12+16.[20]KOROKHODV,VLAJICMD,KRSTICVD.MechanicalpropertiesofpressurelesssinteredboroncarbidecontainingTiBphase[J].JournalofMaterialsScienceLetters,1996(8):13